An observer based approach to force reflecting bilateral teleoperation

Abstract

İki yönlü teleoperasyon sistemleri, sağlık, uzaktan gözetim, askeri, uzay ve sualtı faaliyetleri alanlarında uygulamaları olan aktif bir araştırma alanıdır. Bu sistemler, insan operatörlerin uzaktaki sistemleri kontrol etmelerini ve bu sistemlere uygulanan çevresel kuvvetleri hissederek uzakta bulunmalarını sağlar. Yakın ve uzak sistemler arasındaki fiziksel mesafe paylaşılan sinyallerde gecikmeye ve sistemde kararsızlığa neden olur. İnternetin yayılması sonucu iki yönlü teleoperasyon sistemlerinin muhtemel uygulama alanlarının artması konu üzerine ilgi ve araştırmaların artmasına sebep olmuştur.Bu tezde kararlı ve kuvvet yansımalı teleoperasyon için önerilen zaman gecikme telafi yönteminde üç adet gözlemci kullanılmıştır: Uzaktaki sistemin, nominal bir model kullanarak, gecikmemiş durumlarını tahmin eden bir kestirici gözlemci, sistemlere etki eden dahili ve harici bozucu etkileri kestirip ortadan kaldıran ve böylece sistemleri doğrusallaştıran bozucu gözlemcileri ve sistemlere etki eden net harici kuvveti tahmin eden tepki torku gözlemcileri. Uzak sistemin denetleyicisi, kestirici gözlemci ile birlikte yakın tarafa konmuş ve uzak sistemin denetim girdisi iletişim kanalından gönderilmiştir. Kuvvet yansıması, 4-kanallı mimarinin modifiye edilmiş bir haliyle, uzak sistemin denetim girdisi, pozisyonu ve kestirilen çevre kuvveti paylaşılarak sağlanmıştır. Önerilen yöntemin performansı Matlab/Simulink simülasyonlarında test edilmiş ve literatürdeki iki farklı yöntemle karşılaştırılmıştır. Yöntem, zaman gecikmesinin Matlab/Simulink ortamında yaratıldığı ve sinyallerin internet üzerinden Sabancı Üniversitesi kampüsü dışındaki bir bilgisayardan yansıtılarak gerçek gecikmelerin kullanıldığı gerçek zamanlı deneylerle de test edilmiştir. Hem simülasyonlarda hem de deneylerde bir serbestlik dereceli robot kolu ve iki serbestlik dereceli pantograf robot çiftleri kullanılmıştır. Sonuçlarda kararlı ve kuvvet yansımalı teleoperasyon sağlandığı ve uzak sistemin takip performansının başarılı olduğu gözlemlenmiştir.

Bilateral teleoperation systems are an active area of research with possible applications in healthcare, remote surveillance and military, space and underwater operations, allowing human operators to manipulate remote systems and feel environment forces to achieve telepresence. The physical distance between the local and remote systems introduces delay to the exchanged signals between the two and cause instability in the bilateral teleoperation. With the advent of the internet, possible applications of bilateral teleoperation systems have proliferated, growing the interest and amount of research in the field.The delay compensation method for stable and force reflecting teleoperation proposed in this thesis is based on utilization of three different types of observers: A novel predictor observer that estimates the undelayed states of the remote system based on a nominal model, disturbance observers that eliminate internal and external disturbances and linearize the nonlinear dynamics of the two systems, and reaction torque observers that estimate the net external forces on the two systems. The controller for the remote sys- tem is placed at the local site, along with the predictor observer and the control input is sent to the remote system through the communication channel. Force reflection is achieved using a modified version of the 4-channel architecture where control input and position of the remote system and the environment force estimations are exchanged between the two systems. Performance of the proposed method is tested with Matlab/Simulink simulations and compared to two other methods in the literature. Real-time experiments under variable communication delay are also performed where the delay isboth artificially created using Matlab/Simulink blocks and obtained via the internet by bouncing signals off a remote computer outside the Sabancı University campus. Both the simulations and experiments are executed on a pair of 1-DOF robot arms and a pair of 2-DOF pantograph robots. The results show that stable and force reflecting teleoperation is achieved with successful tracking performances of the remote system.